CN110268948A - 一种压电微喷装置及使用该装置的幼苗培养设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微型喷洒领域，具体涉及一种压电微喷装置及使用该装置的幼苗培养设备。该压电微喷装置整体由接头、上盖、下盖、压电振子、密封圈、单向阀以及喷头构成，其喷头处设置有细长管道和蓄能腔，这为喷洒时进入的气泡提供缓冲地带并利用细长管道避免气泡直接进入泵腔，继而实现压电微喷装置的长时间可靠工作。幼苗培养设备包括水箱、水箱支撑架、连接管、箱盖、栽培箱、压电微喷装置、幼苗以及培养基，通过多组压电微喷装置组合可以实现幼苗均匀且全面的喷洒。
Description
技术领域
本发明属于微型喷洒领域，具体涉及一种压电微喷装置及使用该装置的幼苗培养设备。
背景技术
微喷是利用折射式、旋转式、或辐射式微型喷头将水均匀地喷洒到作物枝叶等区域的灌水形式，由于微喷的工作压力低，流量小，因而对作物的打击强度小，喷洒均匀度较好。在现有技术中，微喷装置在工作时常采用电机驱动，这使得整个微喷装置的成本高、结构复杂、体积大且功耗高，同时存在电磁干扰。近年来，随着压电驱动技术的快速发展，以压电陶瓷为核心的压电驱动方式正逐步得到应用，由于压电陶瓷能够进行稳定输出，具有能耗低、成本小、能量密度高、结构简单、无电磁干扰、易于控制等特点，因而将压电陶瓷用于微喷装置的驱动具有较为明显的优势。
发明内容：
针对现有微型喷洒装置存在的不足，本发明提出一种成本低、体积小、结构简单、功耗低、易集成、控制简单且无电磁干扰的压电微喷装置及使用该装置的幼苗培养设备。
本发明采用以下技术方案：幼苗培养设备整体由水箱、水箱支撑架、连接管、箱盖、压电微喷装置、栽培箱、幼苗以及培养基构成；所述水箱内装有喷洒液，水箱安装在水箱支撑架上；所述水箱顶部设置有入水口，用于喷洒液的注入和添加；所述水箱在底部通过导水管连接3组压电微喷装置，压电微喷装置的入口与水箱内喷洒液连通；所述水箱内最高水位不高于压电微喷装置的喷洒出口，防止压电微喷装置停止工作时，喷洒液外流；所述压电微喷装置均匀安装在箱盖上，朝下方栽培箱内喷洒，以此获得均匀且全覆盖的喷洒效果；所述箱盖设置有卡槽和喷洒孔，其中卡槽易于压电微喷装置的安装、喷洒孔使压电微喷装置能穿过箱盖朝朝栽培箱内喷洒；所述箱盖安装在栽培箱顶部；所述栽培箱底部装填有培养基；所述培养基上生长有幼苗；所述栽培箱底部设置有下水口，用于多余水分的排出。
所述压电微喷装置整体由接头、上盖、下盖、压电振子、密封圈、单向阀以及喷头构成；所述上盖和下盖从上至下相互连接；所述接头与上盖上表面连接；所述接头上部设置有倒角结构，以保证和软体导水管连接时的密封性；所述接头、上盖、下盖内部设置有入口通道；所述上盖与下盖之间设置有压电振子；所述下盖在压电振子一侧设置有泵腔，压电振子变形直接作用于泵腔，以此形成泵腔的容积变化；所述入口通道一端与外部喷洒液连通、另一端设置有单向阀；所述单向阀为单向常闭阀，其一侧连通泵腔、另一侧连通入口通道，以此实现流体由入口通道到泵腔的单向流动；所述压电振子在泵腔一侧配合设置有密封圈，以此保证泵腔的密封性；所述下盖内部设置有出口通道；所述出口通道一端与泵腔连通、另一端连通喷头；所述压电振子为圆形压电振子且由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成；所述金属基板的直径大于压电陶瓷片。
所述喷头由流道部分和喷洒部分组成，喷洒液压入喷头时先经过流道部分后经过喷洒部分；所述流道部分由4组进水通道沿圆周均匀排布组成，每个进水通道沿出流方向依次设置有收缩口和细长流道；所述细长管道的直径d1范围为0.4至0.8mm，长度L范围为5d1至10d1；所述收缩口自上至下断面直径逐渐减小，收缩口下部小口的断面直径与细长管道直径相同、上部大口的断面直径范围为2d1至3d1、高度为1mm；所述收缩口与细长管道同心；所述细长管道的设置不仅可以通过流阻差实现喷洒液的单向流动，同时也可以防止大部分气泡进入泵腔；需要说明的是，收缩口的设置有利于液体引入，多个进水通道可保证喷头具有足够的进水量；所述喷洒部分沿出流方向依次设置有蓄能腔、喷洒口和扩散口；所述蓄能腔的直径从上到下逐渐减小，蓄能腔的上部大口直径范围为10至15mm，其下部小口直径收缩至喷洒口；所述喷洒口中心设置有挡板，挡板的设置实现了喷洒口的断面缝隙高度可控；所述挡板上端通过螺纹与喷头主体相连，且通过旋转螺纹实现挡板上下高度调节，以此控制喷洒口的断面缝隙高度，即控制喷洒口的截面积；所述挡板下端顶部中心设置有内六角沉孔，用于自身的旋转调节；所述蓄能腔断面直径逐渐减少，液体发生收缩流动，并在喷洒口形成高速流体射出，由连续性方程可以得出：V0D0＝ViDi，从中可知，蓄能腔和喷洒口的作用是将高压力低速的液体转化为低压力高速的液体射流，根据类比或实验方法确定压电振子的驱动电压和频率，可按照估算法对喷洒口参数进行计算，由流量连续性方程和能量守恒方程来确定喷洒口截面积：Q＝A.V＝常数，式中Q为喷洒口流量(m3/s)，A为喷洒口截面积(m2)，V为喷洒口处流速(m/s)；所述喷头可以更换，其通过设置扩散口的扩角θ控制喷洒范围。
通过设置蓄能腔可以实现从泵腔压入流体的能量储存，同时为气泡提供一个缓冲地带，由于压电往复式流体驱动，喷洒口处存在一定的液体回流，所以在长时间的喷洒过程中，气泡容易进入蓄能腔，蓄能腔和细长管道的设置使得气泡不直接进入泵腔。气泡在蓄能腔易聚合成大气泡，当直径大于细长管道直径d1的气泡即将进入细长管道出口时，细长管道内液体在表面张力作用下可承受的载荷为式中γ为液体表面张力，α为润湿角，R为细长管道的半径，细长管道可以阻止气泡的进入。从实验观察发现，工作过程中进入蓄能腔的气泡直径大部分大于细长管道直径，且小气泡易聚合成大气泡，无法通过细长管道，蓄能腔为气泡提供了缓冲地带，所以大部分气泡将被阻止进入泵腔。同时，在压电微喷装置停止工作时，细长管道以及喷洒口的截面缝隙小，存在大的液体表面张力，从而阻止液体回流。需要说明的是：气泡如果大量进入泵腔，会极大的降低泵腔内的有效压缩率，这将导致整个压电喷洒装置不能正常工作，通过细长管道的设置，阻止了大部分气泡的进入，这样可以保证压电喷洒装置的稳定工作。
本实施例中压电微喷装置理想的工作过程可分为第一、第二工作状态。
第一工作状态：压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，压电振子向上振动，泵腔容积开始增加，压力减少，单向阀开启，喷洒液通过入口通道进入泵腔，同时，由于喷头内设置有细长管道以及喷洒口且截面缝隙小，在液体表面张力作用下，气体很难进入，所以喷洒液回流很少，如图3所示；
第二工作状态：压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，压电振子向下振动，泵腔容积减小，压力增大，单向阀关闭，喷洒液压入喷头，进而实现喷洒，如图4所示。
在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态依次交替转变，即可实现液体的连续喷洒。幼苗培养设备通过设置多组压电微喷装置，喷洒范围交叉覆盖，从而使得幼苗得到全面而充分的浇灌。
本发明的特色及优势在于：1、使用压电陶瓷作为驱动元件，压电微喷装置能耗低、体积小、成本低、结构简单、控制方便、易集成且无电磁干扰；2、喷头中细长管道以及蓄能腔(缝隙小)的设置可有效的避免气泡进入泵腔，压电微喷装置可以稳定可靠的长时间工作；3、幼苗培养设备中，压电微喷装置多个组合工作，保证栽培箱实现均匀且全面的喷洒效果，整体能耗低、成本小且体积更小。
附图说明：
图1是本发明较佳实施例中幼苗培养设备的示意性剖面图；
图2是图1中压电微喷装置的剖面放大视图；
图3是图1中的压电微喷装置的第一工作状态剖面示意图；
图4是图1中的压电微喷装置的第二工作状态剖面示意图；
图5是图2中喷头的剖视放大图；
图6是图5中喷头进入气泡后的示意图；
图7是图5的俯视图；
其中：100-水箱；101-水箱支撑架；102-导水管；103-入水口；110-箱盖；120-压电微喷装置；130-栽培箱；131-下水口；140-幼苗；150-培养基；1-接头；11-入口通道；2-上盖；3-下盖；4-密封圈；5-单向阀；6-喷头；I-流道部分；II-喷洒部分；60-收缩口；61-细长管道；62-蓄能腔；63-喷洒口；64-扩散口；65-挡板；7-压电振子；7a-金属基板；7b-压电陶瓷片；31-泵腔；32-出口通道。
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参照图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7，本发明幼苗培养设备整体由水箱100、水箱支撑架101、连接管102、箱盖110、压电微喷装置120、栽培箱130、幼苗140以及培养基150构成；所述水箱100内装有喷洒液，水箱100安装在水箱支撑架101上；所述水箱100顶部设置有入水口103，用于喷洒液的注入和添加；所述水箱100在底部通过导水管102连接3组压电微喷装置120，压电微喷装置120的入口与水箱100内喷洒液连通；所述水箱100内最高水位不高于压电微喷装置120的喷洒出口；所述压电微喷装置120均匀安装在箱盖110上，朝下方栽培箱130内喷洒，以此获得均匀且全覆盖的喷洒效果；所述箱盖110设置有卡槽和喷洒孔，其中卡槽易于压电微喷装置120的安装、喷洒孔使压电微喷装置能穿过箱盖朝110朝栽培箱130内喷洒；所述箱盖110安装在栽培箱130顶部；所述栽培箱130底部装填有培养基150；所述培养基150上生长有幼苗140；所述栽培箱130底部设置有下水口131，用于多余水分的排出。
所述压电微喷装置120整体由接头1、上盖2、下盖3、压电振子7、密封圈4、单向阀5以及喷头6构成；所述上盖2和下盖3从上至下相互连接；所述接头1与上盖2上表面连接；所述接头1上部设置有倒角结构，以保证和软体导水管102连接时的密封性；所述接头1、上盖2、下盖3内部设置有入口通道11；所述上盖2与下盖3之间设置有压电振子6；所述下盖3在压电振子7一侧设置有泵腔31，压电振子7变形直接作用于泵腔31，以此形成泵腔31的容积变化；所述入口通道11一端与外部喷洒液连通、另一端设置有单向阀5；所述单向阀5为单向常闭阀，其一侧连通泵腔31、另一侧连通入口通道11，以此实现流体由入口通道11到泵腔31的单向流动；所述压电振子7在泵腔31一侧配合设置有密封圈4，以此保证泵腔31的密封性；所述下盖3内部设置有出口通道32；所述出口通道32一端与泵腔31连通、另一端连通喷头6；所述压电振子7为圆形压电振子且由金属基板7a和压电陶瓷片7b同心粘接而成；所述金属基板7a的直径大于压电陶瓷片7b。
如图5所示，所述喷头6由流道部分I和喷洒部分II组成，喷洒液压入喷头6时先经过流道部分I后经过喷洒部分II；所述流道部分I由4组进水通道沿圆周均匀排布组成，每个进水通道沿出流方向依次设置有收缩口60和细长流道61；所述细长管道61的直径d1范围为0.4至0.8mm，长度L范围为5d1至10d1；所述收缩口60自上至下断面直径逐渐减小，收缩口60下部小口的断面直径与细长管道61直径相同、上部大口的断面直径范围为2d1至3d1、高度为1mm；所述收缩口60与细长管道61同心；所述细长管道61的设置不仅可以通过流阻差实现喷洒液的单向流动，同时也可以防止大部分气泡进入泵腔32；需要说明的是，收缩口60的设置有利于液体引入，多个进水通道可保证喷头具有足够的进水量；所述喷洒部分II沿出流方向依次设置有蓄能腔62、喷洒口63和扩散口64；所述蓄能腔62的直径从上到下逐渐减小，蓄能腔62的上部大口直径范围为10至15mm，其下部小口直径收缩至喷洒口63；所述喷洒口63中心设置有挡板65，挡板65的设置实现了喷洒口63的断面缝隙高度可控；所述挡板65上端通过螺纹与喷头6主体相连，且通过旋转螺纹实现挡板65上下高度调节，以此控制喷洒口63的断面缝隙高度，即控制喷洒口63的截面积；所述挡板65下端顶部中心设置有内六角沉孔，用于自身的旋转调节；所述蓄能腔62断面直径逐渐减少，液体发生收缩流动，并在喷洒口63形成高速流体射出，由连续性方程可以得出：V0D0＝ViDi，从中可知，蓄能腔62和喷洒口63的作用是将高压力低速的液体转化为低压力高速的液体射流，根据类比或实验方法确定压电振子7的驱动电压和频率，可按照估算法对喷洒口63参数进行计算，由流量连续性方程和能量守恒方程来确定喷洒口63截面积：Q＝A.V＝常数，式中Q为喷洒口63流量(m3/s)，A为喷洒口63截面积(m2)，V为喷洒口63处流速(m/s)；所述喷头6可以更换，其通过设置扩散口64的扩角θ控制喷洒范围。
通过设置蓄能腔62可以实现从泵腔31压入流体的能量储存，同时为气泡提供一个缓冲地带，由于压电往复式流体驱动，喷洒口63处存在一定的液体回流，所以在长时间的喷洒过程中，气泡容易进入蓄能腔62，蓄能腔62和细长管道61的设置使得气泡不直接进入泵腔，如图6所示。气泡在蓄能腔62易聚合成大气泡，当直径大于细长管道61直径d1的气泡即将进入细长管道61出口时，细长管道61内液体在表面张力作用下可承受的载荷为式中γ为液体表面张力，α为润湿角，R为细长管道61的半径，细长管道61可以阻止气泡的进入。从实验观察发现，工作过程中进入蓄能腔62的气泡直径大部分大于细长管道61直径，且小气泡易聚合成大气泡，无法通过细长管道61，蓄能腔62为气泡提供了缓冲地带，所以大部分气泡将被阻止进入泵腔32。同时，在压电微喷装置120停止工作时，细长管道61以及喷洒口63的截面缝隙小，存在大的液体表面张力，从而阻止液体回流。需要说明的是：气泡如果大量进入泵腔32，会极大的降低泵腔32内的有效压缩率，这将导致整个压电喷洒装置不能正常工作，通过细长管道61的设置，阻止了大部分气泡的进入，这样可以保证压电喷洒装置的稳定工作。
本实施例压电微喷装置120理想的工作过程可分为第一、第二工作状态。
第一工作状态：压电振子7施加与压电陶瓷片7b极化方向相反的电压，压电振子7向上振动，泵腔31容积开始增加，压力减少，单向阀5开启，喷洒液通过入口通道11进入泵腔31，同时，由于喷头6内设置有细长管道61以及喷洒口63且截面缝隙小，在液体表面张力作用下，气体很难进入，所以喷洒液回流很少，如图3所示；
第二工作状态：压电振子7施加与压电陶瓷片7b极化方向相反的电压，压电振子7向下振动，泵腔31容积减小，压力增大，单向阀5关闭，喷洒液压入喷头6，进而实现喷洒，如图4所示。
在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态依次交替转变，即可实现液体的连续喷洒。幼苗培养设备通过设置多组压电微喷装置120，喷洒范围交叉覆盖，从而使得幼苗140得到全面而充分的浇灌。
以上实施例供理解本发明之用，并非用于限制，在不违背本发明原理情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出多种变化和变形，但这些相应的变化和变形都应属于本发明所属的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种压电微喷装置，其能用于幼苗培养设备且其具备液体微喷能力，整体由接头、上盖、下盖、压电振子、密封圈、单向阀以及喷头构成，其特征在于：所述上盖和下盖从上至下依次连接；所述接头与上盖上表面连接；所述接头、上盖、下盖内部设置有入口通道；所述上盖与下盖之间设置有压电振子；所述下盖在压电振子一侧设置有泵腔，压电振子变形直接作用于泵腔；所述入口通道一端与外部喷洒液连通、另一端设置有单向阀；所述单向阀为单向常闭阀，其一侧连通泵腔、另一侧连通入口通道；所述压电振子在泵腔一侧配合设置有密封圈；所述下盖内部设置有出口通道；所述出口通道一端与泵腔连通、另一端连通喷头；所述喷头由流道部分和喷洒部分组成，喷洒液压入喷头时先经过流道部分后经过喷洒部分；所述流道部分由4～8组进水通道沿圆周均匀排布组成，每个进水通道沿出流方向依次设置有收缩口和细长流道；所述收缩口自上至下断面直径逐渐减小；所述收缩口与细长管道同心；所述喷洒部分沿出流方向依次设置有蓄能腔、喷洒口和扩散口；所述蓄能腔的直径从上到下逐渐减小；所述喷洒口中心设置有挡板；所述挡板上端通过螺纹与喷头主体相连；所述蓄能腔断面直径逐渐减少；扩散口通过改变扩角θ控制喷洒范围。
2.根据权利1所述一种压电微喷装置，其特征在于：所述接头上部设置有倒角结构。
3.根据权利1所述一种压电微喷装置，其特征在于：所述压电振子为圆形压电振子且由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成；所述金属基板的直径大于压电陶瓷片。
4.根据权利1所述一种压电微喷装置，其特征在于：所述细长管道的直径d1范围为0.4至0.8mm，长度L范围为5d1至10d1。
5.根据权利1所述一种压电微喷装置，其特征在于：所述收缩口下部小口的断面直径与细长管道直径相同、上部大口的断面直径范围为2d1至3d1。
6.根据权利1所述一种压电微喷装置，其特征在于：所述蓄能腔的上部大口直径范围为10至15mm，其下部小口直径收缩至喷洒口。
7.根据权利1所述一种压电微喷装置，其特征在于：所述挡板下端顶部中心设置有内六角沉孔。
8.根据权利1所述一种压电微喷装置，其特征在于：所述喷头可以更换。
9.一种幼苗培养设备，其特征在于；包括如权利1所述的压电微喷装置；和水箱、水箱支撑架、连接管、箱盖、栽培箱、幼苗以及培养基；所述水箱内装有喷洒液，水箱安装在水箱支撑架上；所述水箱顶部设置有入水口；所述水箱在底部通过导水管连接多组如权利1所述的压电微喷装置；所述压电微喷装置均匀安装在箱盖上，朝下方栽培箱内喷洒；所述箱盖安装在栽培箱顶部；所述栽培箱底部装填有培养基；所述培养基上生长有幼苗；所述栽培箱底部设置有下水口。
10.根据权利9所述的一种幼苗培养设备，其特征在于：所述水箱内最高水位不高于所述压电微喷装置的喷洒出口。
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